专利名称：选择性电铸快速成型装置及方法
技术领域：
本发明的选择性电铸快速成型装置及方法属电铸技术。
快速成型技术(Rapid Prototyping&Manufacturing，简称RPM)是自80年代初发展起来的，汇集了计算机、CAD/CAM、物理、化学、材料等诸多工程领域的先进成果的一项高新技术。该技术采用增材制造法一次成型复杂的零部件或模具，其基本原理是将加工零件看作由无数个该零件的截面形状构成的空间薄片叠加而成的，通过逐渐增加材料的方法(如凝固、粘结、激光烧结或其他化学反应等)制取这些薄片并将其逐层叠加形成所需的零件形状。快速成型技术将三维零件的制造问题转化为二维片层的制作，使得复杂零部件的加工变得非常简单。目前RPM技术种类繁多，最常见有立体光造型(SLA)、熔融沉积制造(FDM)、叠层制造(LOM)、选择性激光烧结(SLS)以及三维印刷(3DP)等。但是这些方法的加工对象主要是非金属材料(如SLA中的光敏树脂材料、FDM中的ABS或尼龙、LOM中的涂覆纸、SLS中的树脂砂、蜡粉和3DP中粉末材料及粘接剂等)，对于金属零件的直接制造存在较大的困难。虽然，SLS和FDM可以用于直接成型金属零件，但是烧结或熔融金属需要大功率激光器其设备成本极高，而且需要后处理工序。如SLS需要渗铜和切削加工，FDM如果不进行后续切削加工，得到的工件精度很低，只能作为工件毛坯。所以研制低成本、能直接快速成型金属零件的新工艺、新设备具有重要的科研价值和国民经济意义。
本发明旨在将快速成型技术的基本原理和方法与选择性射流电铸技术相结合，提出一种新的能直接快速成型金属零件和工具的，而且设备成本很低的快速成型方法--选择性电铸快速成型技术，设计并开发相应的电铸快速成型设备，探索适宜的工艺参数，以期解决长期困扰快速成型技术发展的难以直接成型高质量的金属零件的问题，拓宽快速成型和电铸技术的应用领域。
本发明的选择性电铸快速成型装置，包括阳极腔、阳极、喷嘴、阴极(芯模)、集液槽、流量计、节流阀、压力表、溢流阀、过滤器、循环泵、储液槽、加热器、工作台运动机构、电量计、电源及计算机控制系统，其特点包括计算机控制系统，置于集液槽内的阳极腔，阳极置于阳极腔内，芯模(阴极)固定于工作台运动机构的底面，喷口对着芯模的小口径喷嘴置于阳极腔上方。其快速成型方法是(或者说工艺方法、工艺路线)1．利用专用或通用的CAD(计算机辅助设计)软件生成工件的三维实体模型。
2．利用CAD软件的实体模型表面三角化功能，将工件的三维实体模型三角化，用有限数量的三角形逼近工件三维实体轮廓，并输出标准的STL(实体模型表面三角化数据格式)文件。
3．根据工件的复杂程度和精度要求，采用专用的分层切片软件将以STL文件格式所描述的工件三维实体造型进行分层切片处理，得到分层描述的工件轮廓信息。
4．根据分层信息和加工要求，以特定的算法生成数控加工文件，即确定在每一加工层面中喷嘴相对阴极的运动轨迹以及铸点的位置等。
5．选择性电铸快速成型装置的计算机系统根据数控加工文件中的指令，控制系统运动机构的电机和电铸电源实现选择性射流电铸。当然在此之前还需要对阴极进行预处理，如导电层、分离层的处理等。
6．当逐层电铸结束后，将工件从阴极上脱模后得到金属工件。
7．若有必要还可以对脱模后的金属零件进行后处理，如打磨、修正等。
根据电化学原理可知，在外加电场的作用下插入电解液中的阴阳两极要发生电化学反应金属阳极溶解得到金属离子，金属离子在阴极得到电子还原并在阴极上沉积。由于依靠金属电沉积制取工件，所以电铸工艺具有极高的制造精度。选择性射流电铸技术的实质就是利用电化学原理将含有高浓度铸层金属离子的电铸液以很细的(直径在0.1～3mm之间根据不同加工情况而定)高速射流形式，在计算机的控制下喷向阴极进行有选择地电沉积的一种数控电铸形式。这种电铸技术克服了传统电铸方法存在的加工时间长以及由于电场分布不均匀和析氢带来的铸层缺陷等问题，更重要的是由于铸点的可选择性，该技术可以抛弃传统电铸的阴极母模，在计算机的控制下实现在平面上的分层电铸而堆砌出所需工件。这一特性完全符合快速成型技术的基本原理，所以将二者有机地结合起来，便形成了一种新颖的低成本成型高精度金属零件的快速成型方案。所以本快速成型技术，无需工装及模具，可迅速制造出形状较为复杂的零件，与其他快速成型技术相比，能以较低的设备成本直接成型高精度、高质量的金属零件。
附
图1.选择性电铸快速成型装置的结构示意图本电铸快速成型装置由阳极腔1、阴极2、工作台运动机构3、喷嘴4、集液槽5、流量计6、截流阀7、压力表8、溢流阀9、过滤器10、循环泵11、储液槽12、加热器13、阳极14、电量计H、电源F及计算机控制系统PC所构成。利用本装置，采用选择性电铸快速成型方法，便形成了一种现行新颖的低成本、高精度金属零件快速成型的技术方案。电铸的工作过程是，电铸液首先在储液槽中被加热到适当的温度，然后经循环增压装置(增压泵或气体增压)加压过滤送至喷嘴的阳极腔，然后经过口径很小的喷嘴(或喷嘴阵列)以高速射流形式喷向阴极表面。当阴阳极接通电铸直流电源后，电铸金属阳极在阳极腔溶解，金属阳离子由电铸液携带喷向阴极并在阴极表面沉积，形成电铸电路回路。经过电沉积后的低浓度电铸液由集液槽收集并回流到储液槽，形成电铸液循环。其中，喷嘴有单一喷嘴和喷嘴阵列两种基本形式，喷嘴口径为0.1～3mm，喷嘴与阳极腔的距离尽可能近或做成一体。
另外，选择性射流电铸装置包括喷嘴与阴极之间在垂直方向(z向)以及在水平面内横向和纵向(x,y向)的三个相对运动，分别由三个电机驱动。电铸过程实行计算机数控加工。选择性射流电铸装置的计算机系统依据数控加工文件产生控制信号控制驱动电机，使喷嘴与阴极产生x,y方向的相对运动，实现电铸液射流对阴极表面的扫描。同时控制电铸电源的通断，实现在阴极表面指定位置的电沉积。另外计算机根据电量计的反馈电铸电量信号计算阳极的溶解量和沉积层的厚度，根据加工文件要求控制阳极的进给量和电铸时间达到控制层厚的目的。当一个层面电铸完成后，工作台相对喷嘴移动一个层厚的距离开始新层面的电铸。如此循环往复、层层叠加，最终得到所需的零件。
权利要求
1．一种选择性电铸快速成型装置及方法，其装置包括阳极腔(1)、阴极(2)、工作台运动机构(3)、喷嘴(4)、集液槽(5)、流量计(6)、截流阀(7)、压力表(8)、溢流阀(9)、过滤器(10)、循环泵(11)、储液槽(12)、加热器(13)、阳极(14)、电量计(H)、电源(F)及计算机控制系统(PC)所构成，其特征在于电铸快速成型方法(1)首先利用计算机辅助设计软件对工件进行三维实体造型；(2)将三维实体造型进行网格化，并生成实体模型的表面三角化数据格式文件；(3)根据上述文件和加工要求，利用分层切片软件对表面三角化的实体模型进行分层切片，得到零件的分层切片信息；(4)根据分层切片信息和加工要求产生数控加工文件；(5)数控选择性射流电铸；(6)从阴极脱模形成金属零件；(7)对电铸成型的金属零件进行后处理。
全文摘要
一种选择性电铸快速成型装置及方法属电铸技术。装置由阳极腔(1)、阴极(2)、工作台运动机构(3)、喷嘴(4)、集液槽(5)、电铸液循环管路(6)～(11)、储液槽(12)、加热器(13)、阳极(14)、电量计(H)、电源(F)及计算机控制系统(PC)所构成,其方法是:先利用CAD软件生成工件三维实体造型;在将三维实体造型进行网格化得到实体模型的STL文件;根据STL文件利用分层切片软件对实体模型进行分层切片;根据切片信息和加工要求产生数控加工文件;采用数控选择性射流电铸进行电铸;最后阴极脱模形成金属零件。
文档编号C25D1/00GK1300880SQ0013328
公开日2001年6月27日 申请日期2000年11月30日 优先权日2000年11月30日
发明者黄因慧, 云乃彰, 王帮峰, 吴安德, 吕益艳 申请人:南京航空航天大学